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基于特征点位置校正的靶标位姿测量方法.docx
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基于特征点位置校正的靶标位姿测量方法.docx
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路基作为轨道交通工程中的关键部位
[1]
是轨道结构、列车载荷的基础承载体系, 若存
在结构变形, 不仅会造成轨道发生形变, 进而还会造成列车振动严重, 甚至出现安全事故问
题
[2]
. 因此, 为了保证列车安全运营, 需要采取有效措施精确控制铁路无砟轨道线下工程的
工后沉降变形问题
[3-5]
. 传统的监测方法有观测桩法、沉降板法、沉降水杯法和传感器监测
法等, 这些方法虽然安装方便, 但需要人工逐点测量, 不能自动监测且成本较高
[6-8]
. 因此针
对铁路路基沉降变形的长期、自动和高精度监测的问题, 于起峰等
[9-11]
提出了基于激光的摄
像机接力测量形变的方法. 这是一种新型的、非接触式的即刻式沉降测量方法. 利用点激光
的准直特性及图像检测技术获取清晰且高质量的激光光斑图像, 并通过精确定位光斑图像
的中心来反映相对于基准点的路基沉降变形
[12-13]
. 为了提高此方法的测量精度, 文献[14-16]
分别从光斑图像质量和光斑中心定位精度作出了研究. 然而当监测系统长期运营后, 由于振
动等因素导致相机和靶标发生相对偏转产生测量误差, 因此现场需要对靶标和相机进行实
时标定. 靶标和相机之间的相对位姿关系有 6 个自由度, 绕 XX, YY, ZZ3 个轴的旋转和沿 3
个轴的平移, 在路基沉降的检测中垂直方向上的位移变化即为沉降值, 所以沿 XX, YY 轴平
移不会影响垂直位移, 由于相机和靶标安装在统一固定的检测平台上, 因此相机与靶标的运
动是同步的, 不会发生相对的垂直位移变化, 因此靶标和相机只有 3 自由度的相对运动且偏
转角度微小. 文献[17]提出了基于传递像机的不稳定测量平台向静态基准转换的方法, 该方
法使摄像测量在不稳定平台上也能高精度进行动态测量, 但由于体积太大不能安装在路基
沉降监测系统中. 文献[18]采用倾角传感器提供多个角度约束, 设计了一种单目视觉与倾角
传感器组合的测量系统, 虽然提高了系统测量精度和稳定性, 但监测成本高, 不适用于路基
沉降大范围的监测.
因此, 本文讨论将靶标与相机相对位姿信息的求解转化为基于特征点解算的 PnP 问题,
该方法通过控制特征点间位置关系的约束来求解观察靶标与摄像机间的相对位置和相对姿
态. 首先针对监测系统的实际情况设计了与监测环境相适应的 4 特征点靶面位姿测量系统,
然后针对采集特征点缺失或模糊的情况对特征点进行校正, 最后利用已知矩形靶面 4 特征
点的边长进行位姿解算. 为了验证改进后的 4 特征点靶面位姿测量系统的正确性与实用性,
搭建位姿测量系统进行实验. 由于目前非线性迭代求解算法因计算结果精确而广泛应用于
像机位姿实时估计
[19]
, 因此为了验证矩形靶面 4 特征点位姿解算方法的有效性, 使之与迭代
求解算法进行对比分析, 验证该方法的可行性与精度.
1. 路基表面沉降监测系统概述
基于激光路基表面沉降变形相机链视觉传递测量系统原理图如图 1 所示, 发射端固定
在路基的一个基准点, 接收端固定在下一个监测点, 两个监测站之间相互间隔为 25∼∼50 m,
在实际监测系统中可以根据监测路段的路基状况与距离来适当地确定安装传递检测站之间
的距离以及传递监测站点的数量. 靶面光斑图像采集设备安装在靶面正后方, 其采集的光斑
图像大小恰好能够覆盖整个靶面. 发射端的激光照射在接收端靶面形成一个近似圆形光斑,
当路基发生沉降时, 接收端的光斑图像也会发生同样位移变化. 通过采集变化前后的光斑图
像, 然后由光斑中心定位算法计算出中心位置(x1x1, y1y1), (x2x2, y2y2), 最后对两幅图像的
光斑中心位置做差分, 得到监测点相对于基准点的沉降变形量
(Δx=x2−Δx=x2−x1x1, Δy=Δy=y2−y1y2−y1), 并将本监测点沉降变形数值传递到下一级传递
监测站, 这样利用监测站和传递站通过首尾光学相连的方式形成了一个“链条”, 从而实现了
沉降变形的传递视觉监测.
图 1 路基表面沉降监测系统
Fig. 1 Subgrade surface settlement monitoring system
下载: 全尺寸图片 幻灯片
路基表面沉降形变是一个长期、缓慢的过程, 需要长期连续观测. 因此依据监测现场
条件与需求设置每隔 2 min 采集一次数据, 对路基情况进行实时分析. 由于铁路沿线监测环
境较为恶劣, 且铁路限界又限制了监测点不能安装体积较大、合作标识点较多的监测系统,
因此监测系统在监测点的体积、结构都有严格的限制. 每个监测点的摄像机对准前方监测
点激光光源所对准的接收靶面, 定时检测该监测点的沉降量, 通过对所有监测点的沉降量数
据融合分析, 完成对检测区间的沉降值传递, 最终通过某一沉降监测点将所有数据传递至监
控中心, 完成沉降观测的测量.
实际上, 图像式路基沉降监测系统在传递沉降变形信息的同时也将各传递检测站的测
量误差累积传递了下去, 最终的测量精度必然会随着传递检测站个数的增加而降低, 因此要
及时消除传递检测站之间的测量误差, 借鉴铁路路基表面沉降观测标准中的闭合平差方法,
将链式测量方法构造成一个闭合回路, 通过闭合平差的方法来消除累积误差.
传递站间构成的闭合回路如图 2 所示. 往返双相机链中每两个相邻的测量基站为 T1T1
和 T2T2, LL, CC, MM 分别为监测系统光源、相机和靶面. 光源 L1L1 所在坐标系经过
L1→M2→C2→L2→M1→L1L1→M2→C2→L2→M1→L1 依次传递形成一个闭合回路, 记两个
坐标系之间的旋转矩阵为 RR, 因为空间中任意坐标系到其自身的坐标变换关系都为单位矩
阵 I, 所以存在以下约束关系:
图 2 相邻传递检测站构成的闭合回路
Fig. 2 Closed loop composed of detection stations
下载: 全尺寸图片 幻灯片
RL1.M2RM2.C2RC2.L2RL2.M1RM1.L1=IRL1.M2RM2.C2RC2.L2RL2.M1RM1.L1=I
(1)
环路闭合误差产生在 T1T1 和 T2T2 两个检测站的测量值不能满足上述约束关系时, 利
用工程测量平差的方法对相邻两个检测站的测量值进行修正, 最终通过对监测系统中每对
相邻传递检测站分别构造上述闭合平差方法完成路基沉降变形传递测量的数据优化. 因此
路基表面沉降监测系统主要利用闭合平差的方法来消除系统传递累积误差, 提高测量精度.
2. 靶面位姿测量系统
激光和相机链相结合的路基表面沉降变形传递测量系统中最主要的就是进行光斑中心
的精确定位, 而接收靶面与相机的正确位姿估计是精确定位的前提, 因此传递检测站中相机
与接收靶面的位姿估计是利用相机对沉降变形进行视觉测量的首要问题. 经实际运营测试
发现在监测期间该系统长期处于无人值守, 且维修天窗时间短不能进行人工干预, 对列车经
过振动后检测站内各单元相对位置变化不能实时估计, 进而无法得知监测路段是否发生真
实沉降, 因此监测系统的自动化检测设备就显得尤为重要. 为此, 首先根据传递检测站的体
积、环境、结构等限制要求, 设计了如图 3 所示的传递检测站的靶面位姿测量系统结构图.
系统主要由摄像机、光源、4 特征点靶面、倾角仪测量装置、精密位移平台、嵌入式系统
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